TCP的time_wait、close_wait状态

TCP终止连接一般是需要交换四个分节。具体来看： 

1、 应用进程（active close）首先调用close，于是导致TCP发送一个FIN分节，表示数据已分送完毕，请求关闭套接字。 

2、 另一端应用进程（passive close）接受收到FIN，并由该端的TCP确认（确认的过程是TCP发送ACK分节给对端套接字）。FIN的接受也作为文件结束符传递给上层应用进程。这里的文件结束符并非应用进程的EOF，在TCP字节流中，EOF的读或写通过收发一个特殊的FIN分节来实现。 

3、 另端（passive close）应用进程在接受到文件束符后，会调用close关闭它的套接字，这导致该端的TCP也发送了一个FIN分节。 

4、 主动关闭端（active close）接受到这个FIN后，TCP对它进行确认。（TCP发送ACK分节，值得注意的是主动关闭端在未接受到FIN之前，它的状态就是TIME_WAIT）。 


 

这张图在google image中，花了五六分钟才找到，觉得这张图是最直观、易懂的。 
TIME_OUT状态的存在的意义 

从图中，很清晰的看到TIME_WAIT状态发生在了active close 端，产生的时间点是发送ACK K+1 分节之后，原因是防止ACK分节在网络中丢失（lost），此时passive close进入LAST_ACK状态，意为等待ACK分节，如果此时ACK分节真的丢失了（passive close端的LAST_ACK超时），那么passive close端将会再次发送一个FIN K分节给对端。这就是为什么在图中，出现两次FIN的分节。 

TIME_OUT存在的理由用术语来描述，摘自UNIX Network Programming Vol1 中： 

1、 可靠地实现TCP全双工连接的终止。 

2、 允许老的重复分节在网络中消逝。 

TIME_OUT状态的持续时间 

图中标明了TIME_OUT状态的持续时间是最长分节生命周期（MSL）的两倍，即2MSL。RFC中的建议值是2分钟，Berkeley的实现传统上使用的是30秒，那么这意味着TIME_WAIT状态的延迟是在1~4分钟之间。TIME_WAIT是TCP协议用以保证被重新分配的socket不会受到之前残留的延迟重发报文影响的机制,是必要的逻辑保证。

(My:Linux的也是30s，编译在系统内核。要改的话，除非重新编译系统内核。)

既然TIME_OUT状态的存在是有其意义的，为什么这么多人对其如此敏感，对于CS的模式，大多是由客户机主动关闭连接，这也避免了TIME_OUT产生于服务端，但对于某些协议，如HTTP则是由服务器执行主动关闭的。(My:一般来说，尽量避免服务端过多的time_wait状态。因为这会导致socket可用的端口越来越少，影响系统的运行。【特别是短连接特别多的】系统。可以试着让系统更多的保持keepalive状态，可能会好点。）

解决方法:

【1】.如果可以的话，减小time_wait的时间。

vi /etc/sysctl.conf

编辑文件，加入以下内容：

net.ipv4.tcp_syncookies = 1

net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1

net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1

net.ipv4.tcp_fin_timeout = 30

然后执行 

/sbin/sysctl -p

 让参数生效。

 

net.ipv4.tcp_syncookies = 1 表示开启SYN Cookies。当出现SYN等待队列溢出时，启用cookies来处理，可防范少量SYN攻击，默认为0，表示关闭；

net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1 表示开启重用。允许将TIME-WAIT sockets重新用于新的TCP连接，默认为0，表示关闭；

net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1 表示开启TCP连接中TIME-WAIT sockets的快速回收，默认为0，表示关闭。

net.ipv4.tcp_fin_timeout 修改系統默认的 TIMEOUT 时间。

 但上面只是暂时的解决方案，还需要自己去找具体的错误。

 【2】.TCP的SO_LINGER 选项 

相信只要提到TIME_OUT，SO_LINGER就会现身，没错，该选项的设定控制着TCP的关闭形态，TCP默认是在close立即返回后，如果有数据残留在套接字的发送缓冲区中，系统将试着把这些数据发送给对端。 

JDK对该选项的定义为： 

public void setSoLinger(boolean on, int linger) throws SocketException; 
两个参数将产生下列三种情形： 

1、 on 为 false，则该选项关闭，linger 的值被忽略，这就是TCP的缺省设置，close立即返回，如果可能将会传输未发送的数据给对端； 

2、 设置on为true，linger大于0（我在很多文章中看到这里写的是非0，但Java中，给该选项设置小于0会抛出” invalid value for SO_LINGER”异常）那么当close某个连接时，内核将拖延一段时间。即linger的时间（linger的单位为秒，最大值为65535）。这里的拖延（close 阻塞）是相对于BIO来讲，如果套接字先前被设置为非阻塞（NIO），那么将不等待close完成，即使linger > 0也是如此。如果套接字发送缓冲区中仍然残留数据，那么close线程将被投入睡眠，直到所有数据都已发送完，并且均被对端确认或者拖延时间到，close才会被唤醒。 

这里有一个原则：设置SO_LINGER套接字选项后，close的成功返回只是告诉我们早先发送的数据（包括FIN）已由对端TCP确认，而不能告诉我们对端的应用进程是否已读取到数据，但如果不设置该套接字选项，那我们连对端TCP是否确认了数据都不知道； 

3、 设置on为true，linger 为0，那么当close某个连接时，TCP夭折该连接。也就是说TCP将丢弃保留在发送缓冲区中的任何数据，仅仅给对端发送一个RST分节，而没有通常所说的四分组终止序列，这样一来避免了TIME_WAIT状态。 

然而在2MSL秒内创建该连接的另一个化身，会导致老的重复分节被不正确地递送到新的化身上。这样的情况，有一个替代，就是TCP的 SO_REUSEADDR选项。 

  【3】.如何控制TIME_WAIT的数量？

从前面的描述我们可以得出这样的结论：TIME_WAIT这东西没有的话不行，不过太多可能也是个麻烦事。下面让我们看看有哪些方法可以控制TIME_WAIT数量，这里只说一些常规方法，另外一些诸如SO_LINGER之类的方法太过偏门，略过不谈。ip_conntrack：顾名思义就是跟踪连接。一旦激活了此模块，就能在系统参数里发现很多用来控制网络连接状态超时的设置，其中自然也包括TIME_WAIT：

shell> modprobe ip_conntrack
shell> sysctl net.ipv4.netfilter.ip_conntrack_tcp_timeout_time_wait

我们可以尝试缩小它的设置，比如十秒，甚至一秒，具体设置成多少合适取决于网络情况而定，当然也可以参考相关的案例。不过就我的个人意见来说，ip_conntrack引入的问题比解决的还多，比如性能会大幅下降，所以不建议使用。
tcp_tw_recycle：顾名思义就是回收TIME_WAIT连接。可以说这个内核参数已经变成了大众处理TIME_WAIT的万金油，如果你在网络上搜索TIME_WAIT的解决方案，十有八九会推荐设置它，不过这里隐藏着一个不易察觉的陷阱：当多个客户端通过NAT方式联网并与服务端交互时，服务端看到的是同一个IP，也就是说对服务端而言这些客户端实际上等同于一个，可惜由于这些客户端的时间戳可能存在差异，于是乎从服务端的视角看，便可能出现时间戳错乱的现象，进而直接导致时间戳小的数据包被丢弃。参考：tcp_tw_recycle和tcp_timestamps导致connect失败问题。
tcp_tw_reuse：顾名思义就是复用TIME_WAIT连接。当创建新连接的时候，如果可能的话会考虑复用相应的TIME_WAIT连接。通常认为「tcp_tw_reuse」比「tcp_tw_recycle」安全一些，这是因为一来TIME_WAIT创建时间必须超过一秒才可能会被复用；二来只有连接的时间戳是递增的时候才会被复用。官方文档里是这样说的：如果从协议视角看它是安全的，那么就可以使用。这简直就是外交辞令啊！按我的看法，如果网络比较稳定，比如都是内网连接，那么就可以尝试使用。
不过需要注意的是在哪里使用，既然我们要复用连接，那么当然应该在连接的发起方使用，而不能在被连接方使用。举例来说：客户端向服务端发起HTTP请求，服务端响应后主动关闭连接，于是TIME_WAIT便留在了服务端，此类情况使用「tcp_tw_reuse」是无效的，因为服务端是被连接方，所以不存在复用连接一说。让我们延伸一点来看，比如说服务端是PHP，它查询另一个MySQL服务端，然后主动断开连接，于是TIME_WAIT就落在了PHP一侧，此类情况下使用「tcp_tw_reuse」是有效的，因为此时PHP相对于MySQL而言是客户端，它是连接的发起方，所以可以复用连接。
说明：如果使用tcp_tw_reuse，请激活tcp_timestamps，否则无效。
tcp_max_tw_buckets：顾名思义就是控制TIME_WAIT总数。官网文档说这个选项只是为了阻止一些简单的DoS攻击，平常不要人为的降低它。如果缩小了它，那么系统会将多余的TIME_WAIT删除掉，日志里会显示：「TCP:
time wait bucket table overflow」。
需要提醒大家的是物极必反，曾经看到有人把「tcp_max_tw_buckets」设置成0，也就是说完全抛弃TIME_WAIT，这就有些冒险了，用一句围棋谚语来说：入界宜缓。
有时候，如果我们换个角度去看问题，往往能得到四两拨千斤的效果。前面提到的例子：客户端向服务端发起HTTP请求，服务端响应后主动关闭连接，于是TIME_WAIT便留在了服务端。这里的关键在于主动关闭连接的是服务端！在关闭TCP连接的时候，先出手的一方注定逃不开TIME_WAIT的宿命，套用一句歌词：把我的悲伤留给自己，你的美丽让你带走。如果客户端可控的话，那么在服务端打开KeepAlive，尽可能不让服务端主动关闭连接，而让客户端主动关闭连接，如此一来问题便迎刃而解了。
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